Page 7 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 马泗洲，等： 围压与爆破耦合作用下节理岩体裂纹的扩展行为与影响因素 第 6 期

used to investigate the influence of different joint angles and confining pressures on cracking behavior. Furthermore, the cracks
were quantitatively assessed using the FracPaQ program. Finally, the damage mechanism of the jointed rock mass was revealed
by analyzing the principal stress distribution and displacement change as well as the dynamic stress intensity factors (DSIFs) of
the joint tip. The results show that both the joint and the anisotropic pressure have a guiding effect on crack extension, and the
effect of the anisotropic pressure will be weakened by the presence of the joint. For the anisotropic pressure condition, the
stress wave transmission and reflection coefficients tended to decrease and increase, respectively, with increasing pressure in
the horizontal direction. From the change rule of normal and tangential displacement on both sides of the joint surface, it is
found that shear stress is the main cause of tip-wing crack expansion. An analysis of the DSIFs reveals that tensile cracks
predominantly contribute to damage at the joint tip during the initial phase of blasting, with shear cracks becoming the
dominant form of damage in the later stages.
Keywords: in-situ stress; jointed rock mass; explosion stress wave; crack extension; damage mechanism

钻爆法因成本低、工作效率高等特点，广泛应用于隧道开挖、矿山开采、核废料储存和地质勘探等
工程领域 [1-3] 。天然岩体地质环境复杂，特别是深部工程岩体，常面临“三高一扰动”问题。高地应力下
的自重应力场与构造应力场会对岩体产生压缩、拉伸及剪切作用，最终形成节理、裂隙等不连续结构
面 [4-5] 。爆炸应力波穿过不连续结构面时，波的类型和传播方向会发生各种复杂变化。考虑地应力对节
理变形的影响，开展围压与爆破耦合作用下节理岩体损伤机制的研究具有重要意义。
爆炸应力波在节理岩体中的传播规律通常采用非连续介质法进行分析，其中位移不连续模型最为
[6]
经典。该模型最早由 Mindlin 于 1960 年提出，并在 1980 年被 Schoenberg 首次用于简谐波入射线弹性
[7]
节理时的透、反射系数计算。然而，爆炸应力波引起的节理变形往往表现出非线性力学行为，Zhao 等 [8]
考虑到节理的这一变形特征，通过改进的特征线方法分析了平面 P 波垂直入射节理后的衰减规律，并结
合以往的研究成果验证了波动方程的准确性。特征线方法有效地分析了应力波穿过节理时的传播规
律，但其适用范围仅限于应力波垂直入射节理。为了更全面地分析应力波以任意角度入射节理的情况，
李建春等 [9] 结合时移函数，并采用 B-B 模型和库伦滑移模型分别描述节理的非线性法向和切向变形行
为，建立了相应的传播方程。爆炸应力波在节理中传播的特殊性也导致了岩体损伤裂纹分布的差异性，
杨仁树等 [10] 通过数字激光动态焦散线模型试验，分析了节理对爆破裂纹扩展行为的影响，指出裂纹偏移
距离主要与节理端部起裂的时间相关。上述研究对节理岩体爆破裂纹扩展行为及应力波传播规律提供
了诸多研究思路，但很少考虑围压对节理岩体爆破动力响应的影响。
为深入了解深部岩体爆破破裂机理，有必要探讨地应力下岩体的爆破损伤特性。其中最早的研究
可追溯至 20 世纪 60 年代，Nicholls 等 [11] 在露天开展的地应力下岩体预裂爆破原位试验，试验发现爆破
裂纹的扩展方向总是与最大主应力方向保持一致。Kutter 等 [12] 在预应力下的爆破试验中也发现了相似
的规律，并指出单向压力可以诱导爆破裂纹的扩展方向。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟成为研
究岩石动力学必不可少的工具之一。Zhu 等 [13] 基于 AUTODYN 数值模拟软件分析了岩体单孔爆破损伤
机制，讨论了边界条件、不耦合系数及耦合介质等因素对岩体爆破裂纹扩展模式的影响，指出炮孔附近
破 碎 区 主 要 由 剪 切 应 力 主 导 ， 而 裂 隙 区 主 要 受 拉 伸 应 力 控 制 。 在 此 基 础 上 ， Yi 等 [14] 利 用 Riedel-
Hiermaier-Thoma (RHT) 损伤模型，对高地应力下岩体单孔爆破进行了数值模拟研究，讨论了不同应力场
对岩体爆破裂纹分布的影响，结果显示，炮孔附近的裂纹分布几乎不受地应力变化的影响，主要与爆炸
荷载相关，而远场径向裂纹的扩展则显著受到初始应力的抑制。Xie 等 [15] 同样采用该模型，模拟了地应
力下岩体掏槽爆破裂纹扩展过程，发现地应力在强化爆破产生径向压应力作用的同时，也会削弱爆破产
生的拉应力作用，并提出通过改变布孔方式优化掏槽爆破效果的设计思路。
本文中，在前人研究的基础上，考虑围压与爆破耦合作用，探讨节理岩体的损伤机制：运用显式动力
学有限元方法，并将流固耦合技术与任意拉格朗日-欧拉（arbitrary Lagrange-Euler, ALE）算法相结合，模拟
节理岩体的爆破破裂过程；基于时域递归理论，分别计算应力波穿过节理面时的透反射系数；同时，借助

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